התורשה והסביבה של שר הטבעות

01.03.2003
 
פרופ' אברהם מינסקי. הישרדות
 
 "שר הטבעות" הוא החיידק דיינוקוקוס רדיודורנס, שהוא היצור העמיד ביותר עלי אדמות כנגד קרינה רדיואקטיבית. עמידותו הבלתי רגילה של החיידק נובעת בעיקר מהעובדה שהוא מארגן את החומר הגנטי שלו בצורת טבעת. כך עולה ממחקר של פרופ' אברהם מינסקי מהמחלקה לכימיה אורגנית במכון ויצמן למדע. ממצאי המחקר התפרסמו באחרונה בכתב העת המדעי "סיינס".
 
"שר הטבעות" מסוגל להחזיק מעמד ולשרוד גם כשהוא סופג קרינה בעוצמה של 1.5 מיליון רד - פי אלף מעוצמת הקרינה שבה מסוגל לעמוד כל יצור חי אחר על כדור-הארץ, ופי 3,000 מעוצמת הקרינה שבה מסוגלים לעמוד בני-אדם. יותר מזה: מתברר ש"שר הטבעות" המיקרוסקופי מסוגל לעכל חומרים רדיואקטיביים, בדרך שעושה אותו לפועל יעיל בניקוי אתרים של פסולת רדיואקטיבית. ואם לא די בכל אלה, מתברר שהוא עמיד במיוחד גם בתנאים קיצוניים של יובש וקור, תכונה שבזכותה נעשה החיידק הזה לאחד מהיצורים הבודדים המסוגלים לחיות בקוטב הצפוני. עמידותו המשונה של "שר הטבעות" עמדה בשנים האחרונות במרכז ויכוחים בין מדעני סוכנות החלל האמריקאית, נאס"א, לבין מדענים רוסיים, הטוענים ש"שר הטבעות" הגיע לכדור-הארץ מהמאדים, שם רמת הקרינה הרדיואקטיבית גבוהה יותר בהשוואה לכדור-הארץ.
 
התעלומה רבת השנים הזאת הגיעה באחרונה לפתרונה, כאשר פרופ' אברהם מינסקי מהמחלקה לכימיה אורגנית במכון ויצמן למדע מצא, שהדי-אן-אי של הבקטריה ארוז בצפיפות בצורת טבעת, דבר שמקנה לחיידק את עמידותו בפני גורמים חיצוניים (דוגמת קרינה רדיו-אקטיבית), הפוגעים בחומר הגנטי ושוברים את הרצף הכימי שלו.
 
קרינה שפוגעת בחומר הגנטי עלולה לקטוע את שני הגדילים של מולקולת הדי-אן-אי. תאים חיים, כלומר, גם חיידקים וגם תאים בגופם של בני-אדם, מסוגלים לתקן פגיעות ספורות בלבד בדי-אן-אי שלהם. חיידקים אחרים, למשל, מסוגלים לתקן רק שלוש עד חמש פגיעות בדי-אן-אי, בעוד שדיינוקוקוס רדיודורנס מסוגל לתקן יותר ממאתיים פגיעות כאלה. יכולת התיקון המצוינת - ומעוררת הקינאה - של החיידק הזה, הביאה בעבר להעלאת השערה, כי החיידק המפתיע הזה מפעיל אנזימי תיקון יעילים במיוחד. אבל סדרת ניסויים הראתה, שאנזימי התיקון שלו דומים מאוד לאלה שקיימים ופועלים בחיידקים אחרים.
 
בעזרת מגוון שיטות מיקרוסקופיות, אופטיות ואלקטרוניות, מצאו חברי קבוצת המחקר של פרופ' מינסקי, שהדי-אן-אי של דיינוקוקוס רדיודורנס מסודר בטבעת שאינה מאפשרת לחתיכות שבורות של די-אן-אי להתפזר בנוזל התוך התאי וללכת לאיבוד, כפי שקורה ביצורים אחרים, לרבות האדם. במילים אחרות, "שר הטבעות" הזעיר אינו מאבד חומר גנטי, ואינו מניח לחלקים ממנו להתפזר. גם כאשר החומר הגנטי שלו נשבר למקטעים זעירים כתוצאה מקרינה רבת עוצמה, הוא מקפיד לשמור על כל המקטעים במקומותיהם הקבועים, במבנה של טבעת צפופה והדוקה. לאחר מכן, אנזימי התיקון עוברים על הטבעת, "מלחימים" את המקטעים הגנטיים אלה לאלה, ומחזירים את המצב לתיקנו.
 
"אנחנו האמנו שהמפתח לתעלומה לא יכול להיות בידי אנזימי התיקון, שגם הם נפגעים מהקרינה. לפיכך, התחלנו לחפש את המקור לעמידות בתכונות אחרות של החיידק, עד שהבנו את המשמעות האמיתית של סידור החומר הגנטי בטבעת הצפופה", אומר פרופ' מינסקי.
 
במחקרי המשך מצאו המדענים, שתהליך תיקון הדי-אן-אי של "שר הטבעות" מתנהל בשני שלבים. בשלב הראשון הדי-אן-אי עובר תהליכי תיקון במסגרת הטבעת, אבל לאחר מכן הוא מבצע פעלול עוד יותר מפתיע.דיינוקוקוס רדיודורנס הוא יצור חד-תאי המחולק לארבעה "חדרים" נפרדים. כל חדר מכיל העתק של הדי-אן-אי שלו. קבוצת המחקר של פרופ' מינסקי מצאה שני מעברים זעירים המחברים את ארבעת החדרים. מעקב מדוקדק אחר תהליך התיקון העלה, שלאחר כשעה וחצי של תיקון בתוך הטבעת מתחיל השלב השני של התיקון: הדי-אן-אי משתחרר ממבנה הטבעת ונודד לחדר הסמוך, שם הוא מתאחד עם העתק הדי-אן-אי השוכן שם. בשלב זה מנגנוני התיקון ה"רגילים", הקיימים בבני-אדם וביצורים אחרים, מתחילים לפעול: אנזימי תיקון משווים בין שני העתקי החומר הגנטי, כשהם משתמשים בכל אחד מהם כבגיבוי למידע החסר בשני. מאחר שהדי-אן-אי כבר עבר את השלב הראשון של התיקון, שבמהלכו תוקנו שברים רבים, השלב השני מבוצע בקלות יחסית.
 
מציאת האריזה הטבעתית הצפופה גרמה לתמיהה רבה בקבוצתו של פרופ' מינסקי: כיצד מסוגל יצור כלשהו לתפקד כשהחומר הגנטי שלו ארוז באריזה כל כך הדוקה? כדי לבצע את תפקידם העיקרי, גדילי הדי-אן-אי חייבים להיפרם ולאפשר היווצרות של אר-אן-אי שליח, שהוא השלב הראשון בדרך לייצור חלבון. אבל איך הם יכוליםלהיפרם כאשר הם ארוזים בהידוק כה רב עד שכמעט אינם מסוגלים לזוז? שאלה זו הובילה לחשיפת טכניקת הישרדות נוספת של החיידק: מתוך ארבעת ההעתקים של הדי-אן-אי המצויים בכל חיידק כזה, תמיד יש שניים או שלושה המצויים במבנה טבעתי, בעוד שהאחרים חופשיים לנוע. כך, בכל רגע נתון קיימים העתקי די-אן-אי היכולים להתבטא וליצור חלבונים, בעוד שהעתקים אחרים ארוזים בטבעת המהודקת, שאינה פעילה, אבל מעניקה לחיידק את עמידותו המופלאה.
 
פרופ' מינסקי ומדענים נוספים מאמינים,שתכונותיו הייחודיות של "שר הטבעות", המקנות לו את יכולת העמידה וההישרדות שלו, התפתחו על כדור-הארץ כתוצאה מהסביבה הקשה שבה התפתח, באזורים יבשים במיוחד, שכמעט שום צורת חיים אחרת אינה מתקיימת בהם. כלומר, המנגנון שהתפתח כדי להעניק לחיידק יכולת עמידות בתנאי יובש קיצוניים, העניק לו גם כושר הישרדות בתנאים של קרינה חזקה.
 
הבנת הדרך שבה ארגון החומר הגנטי בטבעת הדוקה מספק יכולת עמידות בתנאים קשים עשויה לסייע בהבנת מנגנונים להגנה על החומר הגנטי במערכות אחרות, דוגמת תאי זרע אנושיים ונבגים של חיידקים שונים - שגם הדי-אן-אי שלהם מאורגן בצורת טבעת. ועם זאת, למרבה הצער, אין לצפות שהממצאים יובילו להגנה על בני-אדם מפני קרינה רדיואקטיבית. "החומר הגנטי שלנו מאורגן באופן בסיסי בדרך שונה", אומר פרופ' מינסקי.
 
שר הטבעות המיקרוסקופי. בכחול, טבעת החומר הגנטי די-אן-אי
 

לשיתוף:

 

 

 

 

פודקאסטים
אינסטגרם